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摘要:本文對管殼式換熱器在工程實際應用中出現的故障進行分析，并對管殼式換熱器的工程設計提出改進意見。

關鍵詞:管殼式換熱器;故障;工程設計改進

1管売式換熱器在工程實際應用中的故障分析

1．1設計缺陷導致換熱器泄漏的原因分析

1．1．1管束振動

在工程實際應用中，管束振動將引起管板與換熱管之間存在的氣孔和其他缺陷擴大，發展到一定程度時這些缺陷就會被擊穿或導致疲勞開裂。振動與換熱管固有頻率有關，而固有頻率與管束的結構、尺寸有關，因此換熱器本身的設計缺陷是導致管束振動的根本原因。

1．1．2溫差應力

大多數換熱器在運行過程中，管殼程流體之間都存在著一定的溫差，多管程的換熱器各程換熱管之間也存在著較大的溫差，溫差導致管板兩側和換熱管之間產生溫差應力。當溫差應力達到一定數值時，金屬便會產生塑性變形和蠕變，最終導致換熱器泄露。

1．2換熱效率低故障原因分析

根據傳熱方程式Q=K•A•△tm可知，換熱器的傳熱量(Q)，與冷、熱流體的溫度差(△tm)、傳熱面積(A)和總傳熱系數(K)有關。溫度差與工藝條件相關，一般不會出現較大變動;對于既定的換熱器，換熱面積為定值。因此，工業實際應用中，換熱效率降低都是因為總傳熱系數降低引起的。從傳熱系數公式1/K=1/αi+1/α0+b/λ+∑R中知道，影響總傳熱系數的因素有管內、外對流傳熱系數(αi、α0)、管壁熱阻(b/λ)和污垢熱阻(∑R)，管壁熱阻取決于換熱管材料，一般不能隨意更改;污垢熱阻取決于流體介質，且隨時間發生變化;對流傳熱系數與流體的物理性質和湍流程度等因素有關，管內、外對流傳熱系數降低直接導致總傳熱系數降低，最終導致換熱效率降低。

1．2．1管內、外對流傳熱系數降低導致換熱效率低

管內對流傳熱系數(αi)與布管數、管程數、管徑、管內是否有內插擾流物以及是否采用特型管等因素有關;管外對流傳熱系數(α0)與売體型式、換熱管類型及布局、折流板間距及折流板切率等因素有關。上述因素直接影響管、內外流體的湍流程度，湍流程度越小，對流傳熱系數越小，換熱效率越低。

1．2．2結垢導致換熱效率降低

在實際生產中污垢熱阻(∑R)隨著使用時間變化。管束上的污垢會增加污垢熱阻，降低換熱器的換熱效率。例如1mm水垢層相當于40mm鋼板的熱阻，1mm煙渣層相當于400mm鋼板的熱阻，管壁上附有污垢層時，厚度雖不大但其導熱系數很小，會產生很大的熱阻，對傳熱十分不利［2］。換熱器管束上污垢的形成原因主要是換熱介質中的懸浮顆粒流經換熱器表面時沉淀形成污垢，一般是由顆粒細小的泥沙、塵土、不溶性鹽類、膠狀物、油污等組成。

2管売式換熱器故障的工程設計改進

2．1減少泄漏的設計改進

2．1．1預防振動的措施

(1)減小跨距是減小振動最有效的措施;(2)采用大管徑，有效增加管子剛性;(3)增大管間距，減少管子碰撞可能性;(4)盡量減小進出口流速，并增加支撐;(5)選擇管子的材料和厚度，以使管子具有較好的剛性;(6)適當增加折流板的厚度，減小管孔與管壁的間隙，可以抑制振動。

2．1．2減緩溫差應力的設計改進

2．1．2．1提高管板的抗應力能力

在僅考慮壓力載荷作用下的管板應力超限時，采用增加管板厚度的方法提高管板的抗彎截面模量，降低管板應力。在需同時考慮管束與殼體間的溫差應力、管板本身軸向應力與徑向溫差應力以及管板機械強度要求時，可采用彈性管板。其形狀呈圓弧形，不僅有利于承壓而且可利用其彈性變形部分吸收熱膨脹差值。由于其厚度較同工作條件下的圓形管板小很多，有利于減小管板中心和邊緣間的徑向溫差應力。

2．1．2．2降低殼體的軸向剛度

在管殼熱膨脹差很大的情況下，產生的應力極高，可在殼體上設置膨脹節，以滿足較大的總變形協調量。膨脹節可大大降低管板周邊的橫剪力和彎矩，極大地減小管板應力，降低管板與管子間的拉脫力。因此在管殼熱膨脹差大的情況下，設置膨脹節是十分必要和經濟的。膨脹節的安裝位置應靠近管板，且應避開折流板以防殼程流體短路，其波形不宜超過6個。

2．2提高換熱效率的設計改進

2．2．1增加流速，改變流體的流動狀態

(1)在進行工程設計時，增加管程、殼程分程數可加大流速、增加流程長度和擾度。(2)選擇管程數時，在保證允許壓降及避免管材蝕的情況下，增加流速。(3)殼程設置擋板可提高流速，使流體充分流經全部管面。(4)改變流體對管子的沖刷角度，以增強管外的對流傳熱系數。在工程設計中還需注意，增大流速可改變流體流動狀態，提高湍流程度，對增強傳熱能收顯著的效果．但增加流速會使流動阻力增加，應權衡兩種因素，選擇最佳的流速。

2．2．2改變換熱面形狀和大小

管殼式換熱器的換熱管可采用各種異形管、加肋片的管和低翅片管，但要根據換熱介質特性及工藝要求慎重選取，避免因結垢導致換熱效率降低。

2．2．3換熱器的定期清洗可減小污垢熱阻

金屬壁熱阻很小，可以忽略，但實際生產中，換熱器運行一段時間后，管壁會附著污垢，對傳熱十分不利。換熱器清洗可采用機械清洗、化學清洗、酸洗和堿洗等方式。

3總結

綜上所述，管殼式熱交換器在工程實際應用中出現的故障主要是泄露和傳熱效率低，在進行換熱器工程設計時可以改變部分設計參數，改進設計，減少換熱器故障。采用避免管束振動和減緩溫差應力的設計方案可以有效減少換熱器泄露;通過改變流體的流動情況，增加流速和改變換熱面形狀大小可以有效提高管內、外對流傳熱系數，提高傳熱效率。此外，換熱器定期消除污垢、可以減少堵塞、最終提高換熱器傳熱效率。

參考文獻

［1］王慶鋒，龐鑫，趙雙．管殼式換熱器傳熱效率影響因素及數值模擬分析［J］．石油機械，2015，43(10):102－107．

［2］羅文萍．提高管殼式換熱器傳熱性能的研究［C］//中國金屬學會．全國能源與熱工學術年會論文集(2)．昆明:［出版者不詳］，2004:413－415．

［3］李漢．管殼式換熱器振動問題探討［J］．化工設計，2007，17(1):17－19．

［4］李誠．降低固定管板式換熱器溫差應力的措施［J］．煉油技術與工程，2003，33(7):22－23.

作者:劉姜利 單位:山西國控環球工程有限公司